كشف بحث جديد أن “الحمض النووي العشوائي” يتم نسخه بشكل نشط في الخميرة ولكنه يظل غير نشط إلى حد كبير في خلايا الثدييات، على الرغم من أن الكائنين يشتركان في سلف مشترك وآليات جزيئية. تضمنت هذه الدراسة إدخال جين اصطناعي بترتيب عكسي في الخلايا الجذعية للخميرة والفأر، مما يكشف عن اختلافات كبيرة في نشاط النسخ. تشير النتائج إلى أنه بينما تقوم خلايا الخميرة بنسخ جميع الجينات تقريبًا، فإن خلايا الثدييات تقوم بشكل طبيعي بقمع النسخ. لا يتحدى هذا البحث فهمنا لنسخ الجينات بين الأنواع فحسب، بل له أيضًا آثار على مستقبل الهندسة الوراثية واكتشاف جينات جديدة.
وجدت دراسة جديدة أنه في الخميرة الفطرية وحيدة الخلية، هناك “ظواهر عشوائية”. الحمض النووي“نشط بشكل طبيعي، بينما في خلايا الثدييات يتم تعطيل هذا الحمض النووي في حالته الطبيعية في خلايا الثدييات، على الرغم من أن لديهم سلف مشترك منذ مليار سنة ونفس الآلية الجزيئية الأساسية.
ويدور الاكتشاف الجديد حول العملية التي يتم من خلالها تحويل التعليمات الوراثية في الحمض النووي لأول مرة إلى مادة ذات صلة تسمى الحمض النووي الريبي ثم إلى البروتينات التي تشكل هياكل وإشارات الجسم. في الخميرة والفئران والبشر، الخطوة الأولى في التعبير الجيني، النسخ، تحدث عندما تتم قراءة “الحروف” الجزيئية للحمض النووي (القواعد النووية) في اتجاه واحد. في حين أن 80% من الجينوم البشري ــ مجموعة الحمض النووي الكاملة في خلايانا ــ يتم فك تشفيرها بشكل فعال إلى الحمض النووي الريبي (RNA)، فإن أقل من 2% منها ترمز في الواقع إلى الجينات التي توجه بناء البروتينات.
وبالتالي فإن اللغز الطويل الأمد في علم الجينوم هو سبب كل هذا النسخ غير المرتبط بالجينات. هل هي مجرد ضجيج، أم أنها أثر جانبي للتطور، أم أن لها وظائف؟
سعى فريق بحث من جامعة نيويورك لانغون هيلث للإجابة على هذا السؤال من خلال إنشاء جين اصطناعي كبير، مع رمز الحمض النووي الخاص به بترتيب عكسي لأصله الطبيعي. بعد ذلك، أدخلوا جينات اصطناعية في الخلايا الجذعية للخميرة والفأر، ولاحظوا مستويات النسخ في كل منهما. نشرت في المجلة طبيعة، تكشف الدراسة الجديدة أنه في الخميرة، يتم تكوين النظام الجيني بحيث يتم نسخ جميع الجينات تقريبًا بشكل مستمر، في حين أن نفس “الحالة الافتراضية” في خلايا الثدييات هي إيقاف النسخ.
المنهجية والنتائج
ومن المثير للاهتمام، كما يقول مؤلفو الدراسة، أن الترتيب العكسي للشفرة يعني أن جميع الآليات التي تطورت في الخميرة وخلايا الثدييات لتشغيل النسخ أو إيقافه كانت غائبة لأن الكود العكسي كان هراء. ومع ذلك، مثل صورة المرآة، يعكس الكود المقلوب بعض الأنماط الأساسية التي لوحظت في الكود الطبيعي من حيث تكرار وجود حرف الحمض النووي، والقرب، وتكرار التكرار. نظرًا لأن الكود العكسي كان يبلغ طوله 100000 حرف جزيئي، فقد وجد الفريق أنه شمل بشكل عشوائي العديد من الأجزاء الصغيرة غير المعروفة سابقًا من الكود والتي من المحتمل أنها بدأت النسخ في كثير من الأحيان في الخميرة وأوقفته في خلايا الثدييات.
“فهم الاختلافات في النسخ الافتراضي عبر صِنف وقال المؤلف المقابل جيف بوكي، دكتوراه، وسول وجوديث بيرجستين، مدير معهد علم الوراثة في جامعة نيويورك لانغون هيلث: “سيساعدنا ذلك على فهم أفضل لأجزاء الشفرة الوراثية التي لها وظائف وأيها هي حوادث التطور”. “وهذا بدوره يعد بتوجيه هندسة الخميرة لصنع أدوية جديدة، أو إنشاء علاجات جينية جديدة، أو حتى لمساعدتنا في العثور على جينات جديدة مدفونة في الكود الضخم.”
يعطي هذا العمل وزنًا للنظرية التي بموجبها يتم تعريف حالة النسخ النشطة جدًا للخميرة بطريقة نادرًا ما يتم حقن الحمض النووي الأجنبي في الخميرة على سبيل المثال عن طريق فايروس أثناء نسخه، من المحتمل أن يتم نسخه إلى RNA. إذا قام هذا الحمض النووي الريبوزي (RNA) ببناء بروتين له وظيفة مفيدة، فسيتم الحفاظ على الكود عن طريق التطور كجينة جديدة. على عكس الكائن الحي أحادي الخلية في الخميرة، والذي يمكنه تحمل جينات جديدة محفوفة بالمخاطر تدفع التطور بشكل أسرع، فإن خلايا الثدييات، باعتبارها أجزاء لا يتجزأ من ملايين الخلايا المتعاونة، أقل حرية في دمج الحمض النووي الجديد في كل مرة تواجه فيها الخلية فيروسًا. العديد من الآليات التنظيمية تحمي الكود المتوازن بدقة كما هو.
الحمض النووي العظيم
وكان على الدراسة الجديدة أن تأخذ في الاعتبار حجم سلاسل الحمض النووي، حيث يضم الجينوم البشري 3 مليارات “حرف”، وبعض الجينات يبلغ حجمها 2 مليون حرف. في حين أن التقنيات الشهيرة تسمح بإجراء تغييرات حرفًا تلو الآخر، فإن بعض المهام الهندسية تكون أكثر كفاءة إذا قام الباحثون ببناء الحمض النووي من الصفر، مع إجراء تعديلات واسعة النطاق على مساحات كبيرة من التعليمات البرمجية المجمعة مسبقًا والتي يتم تبادلها في الخلية بدلاً من نظيرتها الطبيعية. نظرًا لأن الجينات البشرية معقدة جدًا، فقد طور مختبر بوكي لأول مرة أسلوب “كتابة الجينوم” في الخميرة، ولكنه قام مؤخرًا بتعديله ليتوافق مع الشفرة الوراثية للثدييات. يستخدم مؤلفو الدراسة خلايا الخميرة لتجميع تسلسلات الحمض النووي الطويلة في خطوة واحدة، ثم إدخالها في الخلايا الجذعية الجنينية للفأر.
بالنسبة للدراسة الحالية، تناول فريق البحث مسألة مدى انتشار النسخ عبر التطور من خلال إدخال تسلسل اصطناعي مكون من 101 كيلو قاعدة من الحمض النووي المعدل – جين هيبوكسانثين فسفوريبوسيل ترانسفيراز 1 (HPRT1) البشري. ) بترتيب تشفير عكسي. وقد لاحظوا نشاطًا جينيًا واسع النطاق في الخميرة على الرغم من غياب التعليمات البرمجية الهراء من المروجين، وهي قصاصات من الحمض النووي التي تطورت للإشارة إلى بداية النسخ.
بالإضافة إلى ذلك، حدد الفريق تسلسلات صغيرة في الكود العكسي، وتسلسلات متكررة من وحدات بناء الأدينوزين والثايمين، المعروف أنها يمكن التعرف عليها من خلال عوامل النسخ، والبروتينات التي ترتبط بالحمض النووي لبدء النسخ. وقال المؤلفون إن مثل هذه التسلسلات التي يتراوح طولها من 5 إلى 15 حرفًا فقط، يمكن أن تحدث بشكل عشوائي ويمكن أن تفسر جزئيًا الحالة الافتراضية النشطة للغاية للخميرة.
على العكس من ذلك، نفس الرمز العكسي, التي تم إدخالها في جينوم الخلايا الجذعية الجنينية للفأر، لم تسبب عملية نسخ واسعة النطاق. في هذا السيناريو، تم قمع النسخ على الرغم من أن ثنائي النوكليوتيدات CpG المتطورة، المعروفة بإيقاف (إسكات) الجينات، لم تكن فعالة في الكود المعكوس. ويتكهن الفريق بأن العناصر الأساسية الأخرى في جينوم الثدييات قد تقيد النسخ أكثر بكثير مما هي عليه في الخميرة، وربما عن طريق تجنيد مجموعة بروتينية مباشرة (مجمع متعدد الأقراص) معروف بإسكات الجينات.
قال المؤلف الأول بريندان كاميلاتو، وهو طالب دراسات عليا في مختبر بوكي: “كلما اقتربنا من إدخال الحمض النووي غير المعنى في الخلايا الحية، كلما تمكنت من مقارنته بالجينوم الحقيقي والمتطور بشكل أفضل”. “قد يقودنا هذا إلى آفاق جديدة من علاجات الخلايا المهندسة، حيث توفر القدرة على إدخال الحمض النووي الاصطناعي الأطول والأطول نظرة ثاقبة حول أي جينومات الإدخال ستتحملها، وربما إدراج واحد أو أكثر من الجينات المعدلة الأكبر والكاملة. »
المرجع: “التسلسلات الاصطناعية المقلوبة تكشف الحالات الجينومية الافتراضية” بقلم بريندان ر. كاميلاتو، وران بروش، وهانا ج. آش، وماثيو ت. مورانو، وجيف د. بوكي، 6 مارس 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07128-2
